食品工程原理

1、,重點(diǎn)：空氣的焓濕圖、干燥機(jī)理、干燥 曲線、干燥時(shí)間的計(jì)算； 難點(diǎn)：空氣的焓濕圖、干燥機(jī)理；,第八章 物料干燥,去濕：除去物料中的水分和或其它溶劑（統(tǒng)稱為濕分）的過(guò)程。,去濕的方法：,機(jī)械去濕法：即通過(guò)過(guò)濾、壓榨、抽吸和離心分離等方法除去濕分。,物理化學(xué)去濕法：用吸濕性物料如石灰、無(wú)水氯化鈣等吸收水分。該法費(fèi)用高，操作麻煩，只適用于小批量固體物料的去濕，或用于除去氣體中的水分。,熱能去濕法：如蒸發(fā)、干燥等,用加熱的方法使水分或其它溶劑汽化，并將產(chǎn)生的蒸氣排除，藉此來(lái)除去固體物料中濕分的操作，稱為固體的干燥。,第一節(jié) 概述,干燥過(guò)程的分類,按操作壓力：常壓干燥、真空干燥,按操作方式：連續(xù)式、間歇

2、式,按傳熱方式：傳導(dǎo)干燥、對(duì)流干燥、輻射干燥和介電加熱干燥，以及由其中兩種或三種方式組成的聯(lián)合干燥。,在工業(yè)上應(yīng)用最普遍的是對(duì)流干燥。通常使用的干燥介質(zhì)是空氣，被除去的濕分是水分?？諝饧仁禽d熱體又是載濕體。,物料的干燥過(guò)程是屬于傳熱和傳質(zhì)相結(jié)合的過(guò)程。,干燥過(guò)程進(jìn)行的條件：被干燥物料表面所產(chǎn)生水汽（或其它蒸汽）的壓力大于干燥介質(zhì)中水汽（或其它蒸汽）的分壓，壓差越大，干燥過(guò)程進(jìn)行越快。所以干燥介質(zhì)須及時(shí)將汽化的水汽帶走，以保持一定的汽化水的推動(dòng)力。,1 水蒸氣分壓pv 空氣中水蒸氣分壓愈大，水分含量就愈高，根據(jù)氣體分壓定律，則有,2 濕度(humidity)H 又稱為濕含量或絕對(duì)溫度(absol

3、ute humidity)。它以濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量與絕對(duì)干空氣的質(zhì)量之比表示，使用符號(hào)，其單位為：kg水氣/kg干空氣 。,第二節(jié) 濕空氣的性質(zhì)及濕度圖一、濕空氣的性質(zhì),常溫下，濕空氣可視為理想氣體，則有,在飽和狀態(tài)時(shí)，濕空氣中水蒸氣分壓pv等于該空氣溫度下純水的飽和蒸氣壓ps，則有,由于水的飽和蒸氣壓僅與溫度有關(guān)，故濕空氣的飽和濕度是溫度和總壓的函數(shù)，即,3 相對(duì)濕度 ,當(dāng)pv=0時(shí)，=0，表示濕空氣不含水分，即為絕干空氣。,當(dāng)pv=ps時(shí)，=1，表示濕空氣為飽和空氣。,在一定溫度及總壓下，濕空氣的水汽分壓pv 與同溫度下水的飽和蒸汽壓 pS 之比的百分?jǐn)?shù)，稱為相對(duì)濕度(relativ

4、e humidity)，用符號(hào)表示，即,相對(duì)濕度：可以說(shuō)明濕空氣偏離飽和空氣的程度，能用于判定該濕空氣能否作為干燥介質(zhì)，值與越小，則吸濕能力越大。,濕度：是濕空氣含水量的絕對(duì)值，不能用于分辨濕空氣的吸濕能力。,在一定總壓和溫度下，兩者之間的關(guān)系為,相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的關(guān)系,相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的關(guān)系,4 濕空氣的比熱CH,式中 cH濕空氣的比熱， kJ/(絕干氣oC)； cg絕干空氣的比熱， kJ/(絕干氣oC)； cv水氣的比熱， kJ/(水氣oC),上式說(shuō)明：濕空氣的比熱只是濕度的函數(shù)。,在常壓下，將濕空氣中1kg絕干空氣及相應(yīng)kg 水汽的溫度升高（或降低）1oC所需要（或放出）的熱量，稱為

5、比熱，又稱為濕熱，用符號(hào)CH表示，單位是kJ/(絕干氣oC)，即,在常用的溫度范圍內(nèi)，有,5 濕空氣的焓 I,濕空氣中1kg絕干空氣的焓與相應(yīng)水汽的焓之和，稱為濕空氣的焓，用符號(hào)I表示，單位是kJ/kg干空氣。,注：空氣的焓是根據(jù)干空氣及液態(tài)水在0 oC時(shí)焓為零作基準(zhǔn)而計(jì)算的，因此，對(duì)于溫度為t 及濕度為的濕空氣，其焓包括由0o C的水變?yōu)?o C的水汽所需的潛熱及濕空氣由0oC升溫至t oC所需的顯熱之和，即,6 濕空氣的比容vH,在濕空氣中，1kg絕干氣體積和相應(yīng)的Hkg水氣體積之和，稱為濕空氣的比容，亦稱濕容積(humid volume)，用符號(hào)vH表示，單位為：m3濕空氣/kg絕干氣。

6、,7 露點(diǎn) td,不飽和的空氣在濕含量不變的情況下冷卻，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為該濕空氣的露點(diǎn)(dew piont),用符號(hào)td表示。,當(dāng)空氣從露點(diǎn)繼續(xù)冷卻時(shí)，其中部分水蒸汽便會(huì)以露珠的形式凝結(jié)出來(lái)。空氣的總壓一定，露點(diǎn)時(shí)的飽和水蒸汽壓ps,td 僅與空氣的濕度Hs,td有關(guān)，即 ps,td=f(Hs,td) 或 td= (Hs,td) 濕度越大，td 越大。,在露點(diǎn)時(shí)，空氣的濕度為飽和濕度，=1。,8 干球溫度t和濕球溫度tw,干球溫度t：空氣的溫度 濕球溫度tw： 不飽和空氣的濕球溫度tw低于干球溫度t。,形成原理（如圖所示）：,干球溫度t和濕球溫度tw,對(duì)于某一定干球溫度的濕空氣，其相

7、對(duì)濕度越低，濕球溫度值越低。對(duì)于飽和濕空氣而言，其濕球溫度與干球溫度相等。,在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，空氣向濕紗布表面的傳熱速率為： Q=S（t-tw）,對(duì)空氣水蒸氣系統(tǒng)而言， /kH=1.09,氣膜中水氣向空氣的傳遞速率為：N=kH（Hs,tw-H）S,在穩(wěn)定狀態(tài)下，穿熱速率和傳質(zhì)速率之間的關(guān)系為：Q=Nrtw,濕球溫度實(shí)際上是濕紗布中水分的溫度，而并不代表空氣的真實(shí)溫度，由于此溫度由濕空氣的溫度、濕度所決定，故稱其為濕空氣的濕球溫度，所以它是表明濕空氣狀態(tài)或性質(zhì)的一種參數(shù)。,強(qiáng)調(diào)：,9 絕熱飽和溫度tas,絕熱降溫增濕過(guò)程及等焓過(guò)程,在空氣絕熱增濕過(guò)程中，空氣失去的是顯熱，而得到的是汽化水帶來(lái)的潛熱，

8、空氣的溫度和濕度雖隨過(guò)程的進(jìn)行而變化，但其焓值不變。,形成原理：,絕熱增濕過(guò)程進(jìn)行到空氣被水汽所飽和，則空氣的溫度不再下降，而等于循環(huán)水的溫度，稱此溫度為該空氣的絕熱飽和溫度，用符號(hào)tas 表示，其對(duì)應(yīng)的飽和濕度為as，此刻水的溫度亦為tas。,絕熱飽和溫度,塔頂和塔底處濕空氣的焓分別為：,由于和as值與l相比皆為一很小的數(shù)值，故可視為CH 、CHas不隨濕度而變，即CH=CHas 。則有,濕空氣在絕熱增濕過(guò)程中為等焓過(guò)程，即：I1=I2,實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，對(duì)于在湍流狀態(tài)下的空氣水蒸氣系統(tǒng)而言，a/kH CH ， 同時(shí) r00 rtw，故在一定溫度t和濕度H下，有,強(qiáng)調(diào)：絕熱飽和溫度tas與濕球溫

9、度tw是兩個(gè)完全不的概念。但是兩者都是濕空氣狀態(tài)(t和H)的函數(shù)。特別是對(duì)空氣水氣系統(tǒng)，兩者在數(shù)值上近似相等，對(duì)其他系統(tǒng)而言，不存在此關(guān)系。,對(duì)空氣水蒸氣系統(tǒng) ，干球溫度、絕熱飽和溫度（或濕球溫度）及露點(diǎn)之間的關(guān)系為：,對(duì)于不飽和濕空氣： ttas（或tw）td,對(duì)于飽和的濕空氣： t tas（或tw） td,在工程計(jì)算中，常用的是以濕空氣的焓值I為縱坐標(biāo)，濕度H為橫坐標(biāo)的焓濕圖，即I-H圖。,圖上共有五種線，圖上任一點(diǎn)都代表一定溫度t和濕度的濕空氣狀態(tài)。,等濕度線(等H線)： 等焓線(等I線)： 等溫線(等t線)： 等相對(duì)溫度線（等線） 水蒸汽分壓線：,二、濕空氣的濕度圖,1 等濕度線(等H

10、線),2 等焓線(等I線),3 等溫線(等t線),I=(1.88t+2490)H+1.01t,當(dāng)空氣的干球溫度t不變時(shí)，I與H成直線關(guān)系，故在I-H圖中對(duì)應(yīng)不同的t，可作出許多等t線。 各種不同溫度的等溫線，其斜率為(1.88t+2492)，故溫度愈高，其斜率愈大。因此，這許多成直線的等t線并不是互相平行的。,一組與縱軸平行的直線。在同一條等H線上，濕空氣的露點(diǎn)td不變。,一組與橫軸平行的直線 。在同一條等I線上，濕空氣的溫度t隨濕度H的增大而下降，但其焓值不變。,4 等相對(duì)溫度線（等線）,當(dāng)濕空氣的濕度為一定值時(shí)，溫度愈高，其相對(duì)濕度值愈低，即其作為干燥介質(zhì)時(shí)，吸收水汽的能力愈強(qiáng)，故濕空氣進(jìn)

11、入干燥器之前必須經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱提高溫度，目的除了提高濕空氣的焓值使其作為載熱體外，也是為了降低其相對(duì)濕度而作為載濕體。,5 水蒸汽分壓線,該線表示空氣的濕度與空氣中的水蒸汽分壓pv之間關(guān)系曲線。當(dāng)濕空氣的總壓不變時(shí)，水蒸汽的分壓pv隨濕度而變化。水蒸汽分壓標(biāo)于右端縱軸上，其單位為kN/m2。,干球溫度t、露點(diǎn)td、濕球溫度tw（或絕熱飽和溫度tas）都是由等t線確定的。,根據(jù)濕空氣任意兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，就可以在H-I圖上確定該空氣的狀態(tài)點(diǎn)，然后查出空氣的其他性質(zhì)。,非獨(dú)立的參數(shù)如：tdH，pH，tdp，twI，tasI等，它們均在同一等H線或等I線上。,濕焓圖的說(shuō)明與應(yīng)用,通常根據(jù)下述已知條件之

12、一來(lái)確定濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)，已知條件是：,（）濕空氣的干球溫度t和濕球溫度tw；,（）濕空氣的干球溫度t和露點(diǎn)td ；,（）濕空氣的干球溫度t和相對(duì)濕度。,例： 已知濕空氣的總壓為101.3kN/m2 , 濕度為H=0.02 kg水/kg干空氣，干球溫度為70o C。試用I-H圖求解： (a)水蒸汽分壓p； (b)相對(duì)濕度 ； (c)熱焓； (d)露點(diǎn)td ； (e)濕球溫度tw ；,解 由已知條件：101.3kN/m2， H=0.02 kg水/kg干空氣，t=20o C，在I-H圖上定出濕空氣的狀態(tài)點(diǎn)點(diǎn)。 pv=3kN/m2 =10% I122kJ/kg干空氣 td=24oC tw=33o C,

13、1 間壁式加熱和冷卻,若空氣的溫度變化范圍在露點(diǎn)以上，則空氣中的含水量始終保持不變，且為不飽和狀態(tài)，為等濕過(guò)程，過(guò)程線為垂直線。,三、濕空氣的基本狀態(tài)變化過(guò)程,2 間壁式冷卻減濕,利用上述方法，如果將凝結(jié)出來(lái)的水分設(shè)法除去，再將所得的飽和空氣加熱，則不會(huì)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，而空氣的濕度小于原空氣的濕度，即達(dá)到減濕的目的。,上述間壁式冷卻過(guò)程當(dāng)進(jìn)行至露點(diǎn)，空氣即達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)冷卻時(shí)，水蒸氣就在冷卻壁面上凝結(jié)出來(lái)，而且溫度不斷降低，但空氣始終在飽和狀態(tài)。,3 不同狀態(tài)空氣的混合,若混合后的空氣狀態(tài)點(diǎn)落入超飽和區(qū)，例如圖中3-4直線上的d點(diǎn)，則混合物將分成氣態(tài)的飽和空氣和液態(tài)的水兩部分，前者的狀態(tài)點(diǎn)

14、為過(guò)d點(diǎn)的等溫線與=1線的交點(diǎn)e。,設(shè)有狀態(tài)不同的空氣1和2，對(duì)應(yīng)的干空氣的量為G1和G2，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為（H1，I1），（H2，I2）。兩空氣混合后，由物料衡算和熱量衡算，可求得,4 絕熱冷卻增濕過(guò)程,絕熱飽和過(guò)程的進(jìn)行，其結(jié)果一方面表現(xiàn)為空氣的冷卻，另一方面表現(xiàn)為空氣的增濕，故稱為絕熱冷卻增濕過(guò)程。,空氣和水直接接觸時(shí)，空氣的狀態(tài)變化可視為空氣和液態(tài)水表面邊界層內(nèi)的飽和空氣不斷混合的過(guò)程。,若空氣（以A點(diǎn)表示）與溫度為tas的冷卻水（其表面的飽和空氣以B點(diǎn)表示）相接觸，由于水溫保持不變，B點(diǎn)的位置也固定不變，則空氣的不斷混合過(guò)程就表現(xiàn)為空氣狀態(tài)從A點(diǎn)不斷向B點(diǎn)移動(dòng)。,第三節(jié) 干燥過(guò)程的物料衡

15、算和熱量衡算,干燥過(guò)程的計(jì)算中應(yīng)通過(guò)干燥器的物料衡算和熱量衡算計(jì)算出濕物料中水分蒸發(fā)、空氣用量和所需熱量，再依此選擇適宜型號(hào)的鼓風(fēng)機(jī)、設(shè)計(jì)或選擇換熱器等。,一、物料含水量的表示方法,1 濕基含水量w,以濕物料為計(jì)算基準(zhǔn)的物料中水分的質(zhì)量分率或質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。,第三節(jié) 干燥過(guò)程的物料衡算和熱量衡算 一、物料含水量的表示方法,不含水分的物料通常稱為絕對(duì)干物料或稱干料。以絕對(duì)干物料為基準(zhǔn)的濕物料中含水量，稱為干基含水量，亦即濕物料中水分質(zhì)量與絕對(duì)干料的質(zhì)量之比，單位為kg水分/kg絕干料。,兩種含水量之間的換算關(guān)系為,注：工業(yè)上常采用濕基含水量。,2 干基含水量：,L絕干空氣的消耗量，kg絕干氣/s；

16、H1，H2分別為濕空氣進(jìn)出干燥器時(shí)的濕度，kg水氣/kg絕干氣； X1，X2分別為物料進(jìn)出干燥器時(shí)的干基含水量，kg水氣/kg絕干料； G1，G2分別為物料進(jìn)出干燥器時(shí)的流量，kg濕物料/s； G絕干物料的流量，kg絕干料/s。,通過(guò)物料衡算可確定將濕物料干燥到規(guī)定的含水量所蒸以的水分量、空氣消耗量、干燥產(chǎn)品的流量。,二、物料衡算,1 水分蒸發(fā)量w,2 干空氣消耗量 L,對(duì)上圖所示的連續(xù)干燥器作水分的物料衡算，以1s為基準(zhǔn)。,令l=L/W，稱為比空氣用量，其意義是從濕物料中氣化1kg水分所需的干空氣量。,如果新鮮空氣進(jìn)入干燥器前先通過(guò)預(yù)熱器加熱，由于加熱前后空氣的濕度不變，以H0表示進(jìn)入預(yù)熱器

17、時(shí)的空氣濕度，則有,上式說(shuō)明：比空氣用量只與空氣的最初和最終濕度有關(guān)，而與干燥過(guò)程所經(jīng)歷的途徑無(wú)關(guān)。,3 干燥產(chǎn)品的流量G2,式中 w1、w2物料進(jìn)出干燥器時(shí)的濕基含水量,濕空氣的消耗量為：,例：在一連續(xù)干燥器中，每小時(shí)處理濕物料1000kg，經(jīng)干燥后物料的含水量有10%降至2%（wb）。以熱空氣為干燥介質(zhì)，初始濕度H1=0.008kg水/kg絕干氣，離開干燥器時(shí)濕度為H2=0.05 kg水/kg絕干氣，假設(shè)干燥過(guò)程中無(wú)物料損失，試求：水分蒸發(fā)量、空氣消耗量以及干燥產(chǎn)品量。,進(jìn)入干燥器的絕干物料為 G=G1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg絕干料/h,解：（1）水分蒸發(fā)量：將物料

18、的濕基含水量換算為干基含水量，即,水分蒸發(fā)量為 W=G（X1-X2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水/h,例題,（2）空氣消耗量,原濕空氣的消耗量為： L=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg濕空氣/h,（3）干燥產(chǎn)品量,單位空氣消耗量（比空氣用量）為：,Qp預(yù)熱器的傳熱速率，kw； QD向干燥器中補(bǔ)充熱量的速率，kw； QL干燥器的熱損失速率，kw,通過(guò)干燥器的熱量衡算可以確定物料干燥所消耗的熱量或干燥器排出空氣的狀態(tài)(H2，t2，I2 )。,三、熱量衡算,1 預(yù)熱器的熱量衡算,2 干燥器的熱量衡算,3 干燥系統(tǒng)消耗的總熱量,若忽略預(yù)熱器的熱損失，以1

19、s為基準(zhǔn)，則有,濕物料的焓,假設(shè)： （1）新鮮空氣中水蒸氣的焓等于離開干燥器時(shí)廢空氣中水蒸氣的焓，即：Iv0=Iv2。 （2）進(jìn)出干燥器的濕物料比熱相等，即：Cm1=Cm2=Cm。,由于,由上式可以看出：向系統(tǒng)輸入的熱量用于：加熱空氣、加熱物料、蒸發(fā)水分、熱損失等四個(gè)方面。,4 干燥系統(tǒng)的熱效率,蒸發(fā)水分所需的熱量為：,定義：,若忽略濕物料中水分代入系統(tǒng)中的焓，則有,Qv=w(2490+1.88t2)-4.1871w,使離開干燥器的空氣溫度降低，濕度增加（注意吸濕性物料）；,提高熱空氣進(jìn)口溫度（注意熱敏性物料）；,廢氣回收，利用其預(yù)熱冷空氣或冷物料；,注意干燥設(shè)備和管路的保溫隔熱，減少干燥系統(tǒng)

20、的熱損失。,提高熱效率的措施,例：某糖廠的回轉(zhuǎn)干燥器的生產(chǎn)能力為4030kg/h（產(chǎn)品），濕糖含水量為1.27%，于310C進(jìn)入干燥器，離開干燥器時(shí)的溫度為360C ，含水量為0.18%，此時(shí)糖的比熱為1.26kJ/kg絕干料0C 。干燥用空氣的初始狀況為：干球溫度200C ，濕球溫度170C ，預(yù)熱至970C后進(jìn)入干燥室?？諝庾愿稍锸遗懦鰰r(shí)，干球溫度為400C ，濕球溫度為320C ，試求： （1）蒸發(fā)的水分量；（2）新鮮空氣用量；（3）預(yù)熱器蒸氣用量，加熱蒸氣壓為200kPa（絕壓）；（4）干燥器的熱損失，QD=0；（5）熱效率。,例題,解：,進(jìn)入干燥器的絕干物料為 G=G2（1-w2）=

21、4030（1-0.18%）=4022.7kg絕干料/h,水分蒸發(fā)量為 W=G（X1-X2）=4022.7（0.0129-0.0018）=44.6kg水/h,（1）水分蒸發(fā)量：將物料的濕基含水量換算為干基含水量，即,（2）新鮮空氣用量：首先計(jì)算絕干空氣消耗量。,絕干空氣消耗量為：,新鮮空氣消耗量為： L=L（1+H0）=2877.4（1+0.011）=2909kg新鮮空氣/h,由圖查得：當(dāng)t0=200C，tw0=170C時(shí)，H0=0.011kg水/kg絕干料； 當(dāng)t2=400C，tw2=320C時(shí)，H2=0.0265kg水/kg絕干料。,查H-I圖，得,（3）預(yù)熱器中的蒸氣用量,查飽和蒸氣壓表得

22、：200kPa（絕壓）的飽和水蒸氣的潛熱為2204.6 kJ /kg，,Qp=L(I1-I0)=2877.4（127-48）=2.27 105kJ /h,故蒸氣消耗量為： 2.27 105/2204.6=103kg/h,I0=48kJ/kg干空氣； I1= 127kJ/kg干空氣； I2= 110kJ/kg干空氣,（4）干燥器的熱損失,（5）熱效率,若忽略濕物料中水分帶入系統(tǒng)中的焓，則有,在常壓連續(xù)理想干燥器中，用通風(fēng)機(jī)將空氣送至預(yù)熱器，經(jīng)1200C飽和蒸氣加熱后進(jìn)入干燥器以干燥某種物料。已知空氣狀況為：進(jìn)預(yù)熱器前濕空氣中水蒸氣分壓p0=1.175kPa，溫度為150C，進(jìn)干燥器前的溫度為90

23、0C，出干燥器后的溫度為500C。物料狀況為：進(jìn)干燥器前X1=0.15kg水/kg絕干料，出干燥器后X2=0.01kg水/kg絕干料。干燥器的生產(chǎn)能力為250kg/h（按干燥產(chǎn)品計(jì)），預(yù)熱器的總傳熱系數(shù)為50w/m20C。試求通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和預(yù)熱器的傳熱面積。,課外習(xí)題,水分活度：水蒸氣分壓pv與同溫度下純水的飽和蒸氣壓ps之比。,物料的水分活度與其含水量和溫度有關(guān)。一定溫度下水分活度與含水量的關(guān)系曲線稱為吸著等溫線。,水分活度不僅與物料的貯藏性有關(guān)，而且決定了干燥進(jìn)行的方向。,aw時(shí)，解吸水分（干燥）；,第四節(jié) 濕物料的性質(zhì)及干燥機(jī)理一、濕物料的水分活度,劃分依據(jù)：物料所含水分能否用干燥方法

24、除去。,物料中的水分與一定溫度t、相對(duì)濕度的不飽和濕空氣達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)物料所含水分稱為該空氣條件(t、 )下物料的平衡水分。,在干燥過(guò)程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分，稱為自由水分。,平衡水分隨物料的種類及空氣的狀態(tài)(t，)不同而異。 平衡水分代表物料在一定空氣狀況下可以干燥的限度。,二、平衡水分(equilibrium water)和自由水分(free water),劃分依據(jù)：根據(jù)物料與水分結(jié)合力的狀況,1 結(jié)合水分 包括物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分、物料內(nèi)毛細(xì)管中的水分、及以結(jié)晶水的形態(tài)存在于固體物料之中的水分等。,特點(diǎn)：籍化學(xué)力或物理化學(xué)力與物料相結(jié)合的，由于結(jié)合力強(qiáng)，其蒸汽壓

25、低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓，致使干燥過(guò)程的傳質(zhì)推動(dòng)力降低，故除去結(jié)合水分較困難。,三、結(jié)合水分(bound water)與非結(jié)合水分(unbound water),2 非結(jié)合水分 包括機(jī)械地附著于固體表面的水分，如物料表面的吸附水分、較大孔隙中的水分等。,特點(diǎn)：物料中非結(jié)合水分與物料的結(jié)合力弱，其蒸汽壓與同溫度下純水的飽和蒸汽壓相同，干燥過(guò)程中除去非結(jié)合水分較容易。,物料的結(jié)合水分和非結(jié)合水分的劃分只取決于物料本身的性質(zhì)，而與干燥介質(zhì)的狀態(tài)無(wú)關(guān)； 平衡水分與自由水分則還取決于干燥介質(zhì)的狀態(tài)。干燥介質(zhì)狀態(tài)改變時(shí)，平衡水分和自由水分的數(shù)值將隨之改變。,強(qiáng)調(diào)：,物料的總水分、平衡水分、自由水分、結(jié)

26、合水分、非結(jié)合水分之間的關(guān)系見圖示。,在干燥過(guò)程中物料內(nèi)外的溫度不一致，溫度梯度促使水分傳遞（稱為熱導(dǎo)濕），方向是從高溫到低溫。,1 濕度梯度的形成,以上兩種梯度導(dǎo)致的水分傳遞稱為內(nèi)部擴(kuò)散。,濕物料表面水分的汽化，遂形成物料內(nèi)部與表面的濕度差，促使物料內(nèi)部的水分向表面移動(dòng)。,2 溫度梯度的形成,四、干燥機(jī)理,造成該分壓的原因是：,3 外部的傳質(zhì)推動(dòng)力：,水分由物料內(nèi)部擴(kuò)散到表面后，便在表面氣化，可認(rèn)為在表面附近存在一層氣膜，在氣膜內(nèi)水蒸氣分壓等于物料中水分的蒸氣壓，水分在氣相中的傳質(zhì)推動(dòng)力為此蒸氣壓與氣相主體中水蒸氣分壓之差。,對(duì)對(duì)流干燥，由于介質(zhì)的不斷流動(dòng)，帶走氣化的水分； 對(duì)真空干燥而言，

27、則是氣化的水分被真空泵抽走。,水分的內(nèi)部擴(kuò)散和表面汽化是同時(shí)進(jìn)行的，但在干燥過(guò)程的不同階段其速率不同，從而控制干燥速率的機(jī)理也不相同。原因在于受到物料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、濕度等條件和干燥介質(zhì)的影響。,強(qiáng)化措施（對(duì)對(duì)流干燥而言） ：提高空氣的溫度，降低相對(duì)濕度，改善空氣與物料的接觸和流動(dòng)情況，均有助于提高干燥速率。,在干燥過(guò)程中，當(dāng)物料中水分表面汽化的速率小于內(nèi)部擴(kuò)散的速率時(shí)，稱為表面汽化控制；,當(dāng)物料中水分表面汽化的速率大于內(nèi)部擴(kuò)散的速率，稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制。,強(qiáng)化措施：從改善內(nèi)部擴(kuò)散著手，如：減少物料厚度、使物料堆積疏松、攪拌或翻動(dòng)物料、采用微波干燥等。,干燥速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在單位干燥面積上汽化的水

28、分量W。,恒定干燥條件：干燥介質(zhì)的溫度、濕度、流速及與物料的接觸方式，在整個(gè)干燥過(guò)程中均保持恒定。,u=dw/Ad 式中 u干燥速率,kg/m2h ； W汽化水分量,kg A干燥面積,m2； 干燥所需時(shí)間,h,第五節(jié) 干燥速率和干燥時(shí)間一、恒定干燥條件下的干燥速率,dW=-GdX,u=dW/Ad=-GdX/Ad 式中 濕物料中絕對(duì)干料的量,kg ； X濕物料中干基的含水量,kg水/kg干物料； 負(fù)號(hào)表示物料含水隨著干燥時(shí)間的增加而減少。,u=dw/Ad,影響干燥速率的因素（對(duì)對(duì)流干燥而言）,濕物料的性質(zhì)與形狀：包括物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、形狀大小、料層厚薄及水分結(jié)合方式。,物料的濕度：物料的水分活

29、度與濕度有關(guān)，因而影響干燥速率。,物料的溫度：溫度與水分的蒸氣壓和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。,干燥介質(zhì)的狀態(tài)：溫度越高，相對(duì)濕度越低，干燥速率越大。,干燥介質(zhì)的流速：由邊界層理論可知，流速越大，氣膜越薄，干燥速率越大。,介質(zhì)與物料的接觸狀況：主要是指介質(zhì)的流動(dòng)方向。流動(dòng)方向垂直于物料表面時(shí)，干燥速率最快。,影響干燥速率的因素（對(duì)對(duì)流干燥而言）,1 干燥曲線：干燥過(guò)程中物料含水量X與干燥時(shí)間t、物料表面溫度的關(guān)系曲線。,2 干燥速率曲線：物料干燥速率u與物料含水量X的關(guān)系曲線。,二、干燥曲線與干燥速率曲線,干燥過(guò)程分為恒速干燥和降速干燥兩個(gè)階段。,3 恒速干燥階段： 如BC段所示（AB段為物料預(yù)熱段，此段所

30、需時(shí)間很短，一般并入BC段考慮）。,除去的水分是非結(jié)合水； 屬于表面汽化控制階段； 物料表面的溫度始終保持為空氣的濕球溫度； 干燥速率的大小，主要取決于空氣的性質(zhì)，而與濕物料的性質(zhì)關(guān)系很小。,此階段特點(diǎn)：,在恒速干燥階段中，空氣傳給物料的熱量等于水分汽化所需的熱量，即,在干燥過(guò)程中，傳熱速率為,傳質(zhì)速率為：,所以，恒速干燥階段的干燥速率為,4 降速干燥階段：如CE段所示,臨界點(diǎn)：C點(diǎn)，該點(diǎn)的干燥速率Uc等于等速階段的干燥速率。,臨界含水量： Xc越大，則會(huì)過(guò)早的轉(zhuǎn)入降速干燥階段，使在相同的干燥任務(wù)下所需的干燥時(shí)間加長(zhǎng)。臨界含水量與物料的性質(zhì)、厚度、干燥速率有關(guān)。,第一降速階段（CD段）：物料內(nèi)

31、部水分?jǐn)U散速率小于表面水分在濕球溫度下的汽化速率，這時(shí)物料表面不能維持全面濕潤(rùn)而形成“干區(qū)”，導(dǎo)致干燥速率下降。,第二降速階段（DE段）：水分的汽化面逐漸向物料內(nèi)部移動(dòng)，從而使熱、質(zhì)傳遞途徑加長(zhǎng)，阻力增大，造成干燥速率下降。,降速干燥階段特點(diǎn)：,干燥速率主要決定于物料本身的結(jié)構(gòu)、形狀和大小等。而與空氣的性質(zhì)關(guān)系很小。,物料表面的溫度不斷上升，而最后接近于空氣的溫度。,積分邊界條件為：開始時(shí)=0，X=X1； 終了時(shí)= 1 ，X=Xc；,1 恒速干燥階段,設(shè)恒速干燥階段的干燥速率為uc，根據(jù)干燥速率定義，有,三、恒定干燥條件下干燥時(shí)間的計(jì)算,臨界處的干燥速率Uc可從干燥速率曲線查得，也可用下式進(jìn)行

32、估算：,對(duì)流傳熱系數(shù)a可用以下幾種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：,式中 L濕空氣的質(zhì)量流速，kg/m2h,適用條件： L=390019500 kg/m2h（0.94.6m/s）,（1）空氣的流動(dòng)方向與物料表面平行時(shí),適用條件： L=245029300 kg/m2h（0.68m/s）， 空氣的平均溫度t=451500C,（2）空氣垂直于物料表面流動(dòng),例：將不溶于水 的固體晶體裝在0.5 0.5m的盤中干燥，物料層厚度為25mm，盤的側(cè)面和底面可假定為絕熱的，干燥所需熱量由流動(dòng)方向與物料平行的熱空氣以對(duì)流方式傳到物料表面，空氣流速為6m/s，溫度為700C，濕度為0.01kg水/kg 絕干料，試估算恒速干燥階段的

33、干燥速率和蒸發(fā)量。,濕空氣的密度為,解：由濕度圖查得H=0.01kg水/kg 絕干料，t= 700C的空氣 tw=300C,空氣的濕比容為,例題,濕空氣的質(zhì)量流速 L=u=6 1.023=6.14kg/m2s或22100kg/m2h,當(dāng)tw=300C時(shí)，rtw=2424kJ/kg，則有,蒸發(fā)量為Uc A=3.62 （0.5 0.5）=0.91kg水/h,對(duì)流傳熱系數(shù),2 降速干燥階段,式中U降速階段的瞬時(shí)干燥速率，kg/m2s,積分邊界條件：降速開始時(shí)=0，X=Xc； 終了時(shí)= 2 ，X=X2；,在降速干燥階段，U是變量，可采用以下兩種方法進(jìn)行計(jì)算：,圖解積分法：將1/U對(duì)各相應(yīng)的X進(jìn)行標(biāo)繪，

34、量出介于所得曲線與橫軸兩界限X2-Xc間的面積，其數(shù)值即為所求的積分值。,近似計(jì)算法,式中 Xe平衡含水量 kX系數(shù)，直線CE的斜率,連接臨界點(diǎn)C與平衡含水量E的直線來(lái)代替降速階段的干燥速率，該近似方法認(rèn)為在降速干燥階段，干燥速率與物料中的自由水分成正比，即,1 干燥器的分類,按操作壓強(qiáng)分：常壓干燥器、真空干燥器；,按供熱方式分：對(duì)流干燥器、傳導(dǎo)干燥器、輻射干燥器、介電加熱干燥器；,按操作方式分：連續(xù)式、間歇式；,按介質(zhì)和物料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向分：并流、逆流、錯(cuò)流干燥器；,第六節(jié) 干燥設(shè)備,并流、逆流、錯(cuò)流干燥器的特點(diǎn),并流：含水量高的物料與溫度最高而濕度最低的介質(zhì)相接觸，在進(jìn)口端的干燥推動(dòng)力大，

35、在出口端的推動(dòng)力小。,適用情況：,（1）干物料不耐高溫而濕物料允許快速干燥； 在干燥第一階段，物料溫度始終維持在濕球溫度，到第二階段，物料溫度才逐漸上升，但此時(shí)介質(zhì)溫度已下降，物料不致于過(guò)熱。,（2）物料的吸濕性小或最終水分要求不很低； 物料在出口處與溫度最低、濕度最高（即相對(duì)濕度最大）的介質(zhì)接觸，其平衡水分高。,逆流：物料與干燥介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向相反，干燥推動(dòng)力在干燥器中分布較均勻。,適用情況： （1）濕物料不宜快干而干物料能耐高溫； （2）物料的吸濕性強(qiáng)或最終含水量要求低；,注：在逆流時(shí)，濕物料進(jìn)入的溫度不應(yīng)低于干燥介質(zhì)在此處的露點(diǎn)，否則濕度高的干燥介質(zhì)中有一部分水蒸氣會(huì)冷凝在濕物料上，從而增加干燥時(shí)間。,錯(cuò)流：高溫介質(zhì)與物料運(yùn)動(dòng)方向相垂直，如果物料表面都 與濕度小、溫度高的介質(zhì)接觸，可獲得較高的推動(dòng)力，但介質(zhì) 的用量和熱量的消耗也較大。,適用情況： （1）物料在干燥的始、終都允許快速干燥和高溫； （2）要求設(shè)備緊湊（過(guò)程速度大）而允許較多的介質(zhì)和能耗。,優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造容易、適應(yīng)性強(qiáng)。,缺點(diǎn)：干燥不均勻，干燥時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作條件差。,適用于干燥粒狀、片狀和膏狀物料，批量小、干燥程度要求高、不允許粉碎的脆性物料，以及隨時(shí)需要改變風(fēng)量、溫度和濕度等干燥條件的情況。,2 廂式干燥器（盤式干燥器）,箱式干燥器,車廂式干燥器